Lipotoxicity in diabetic cardiomyopathy

Abstract

Le diabète est en croissance à un rythme alarmant. Sa fatalité la plus importante provient de ses effets sur le système cardiovasculaire. Effectivement, le diabète est un facteur de risque majeur pour la maladie coronarienne et l’hypertension artérielle. En plus, les diabétiques courent le risque de développer une cardiomyopathie diabétique (DCM) qui est présente indépendamment de l’athérosclérose et de l’hypertension. Les causes exactes de cette maladie cardiaque ne sont pas encore définies complètement mais une anomalie du métabolisme lipidique a émergé comme étant un facteur contributeur clé. Il est intéressant de noter qu’une caractéristique commune de la DCM est l’accumulation des lipides intracellulaires ce qui est connu comme la stéatose cardiaque. Cette dernière est probablement causée par un déséquilibre entre l’absorption et la clairance cellulaires des lipides. En tant que tel, nous nous sommes concentré nos études sur l’élucidation des mécanismes de lipotoxicité dans le contexte de la DCM. Nous avons donc investigué le rôle du métabolisme lipidique sur des voies de signalisation reliées à la DCM telles que le stress du réticulum endoplasmique (ERS), l’activité du Récepteur activé par les proliférateurs de peroxysomes (PPAR), l’inflammation et la dysfonction mitochondriale avec un intérêt spécifique sur l’oxydation des acides gras. Nous avons caractérisé l’ERS et l’apoptose induits par les lipides; nous avons confirmé que le palmitate, un acide gras lipotoxique, induit l’ERS et la mort des cardiomyocytes primaires. Ensuite, on a démontré que la lipotoxicité médiée par cet acide gras est associée à un degré d’inflammation significatif qui peut être dû à une régulation à la baisse des récepteurs de PPAR. La stéatose cardiaque et la lipotoxicité peuvent altérer des voies de signalisation ce qui conduit à la dysfonction mitochondriale. On a découvert que la toxicité du palmitate est associée à une déficience de l’oxydation complète des acides gras (FAO). Spécifiquement, le palmitate atténue la β-oxydation et le cycle de l’acide citrique sans toucher à l’activité de Cpt1b qui est l’étape cinétiquement déterminante dans la FAO. Il est intéressant de noter que l’augmentation de la FAO atténue les effets toxiques du palmitate, alors que l’atténuation de la FAO de l’oléate, qui est normalement un acide gras non toxique, induit la mort cellulaire. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de la FAO peut avoir des effets cliniques utiles comme être une cible pour le traitement de la DCM. Nous avons également cherché à savoir si la déficience en FAO contribue à la DCM in vivo. Des études précédentes ont démontré que la FAO augmente chez les souris diabétiques. Cependant, les souris diabétiques montrent une absorption élevée des acides gras ce qui pourrait contribuer significativement à l’augmentation de la FAO dans leurs tissus cardiaques. Par la suite, nous avons tenté d’évaluer la FAO directement des mitochondries au lieu des tissus cardiaques complets afin d’éviter le facteur de confusion, qui est l’augmentation de l’absorption des acides gras. Nous avons démontré alors que les souris atteintes de diabète chronique présentent une déficience en FAO accompagnée d’une dysfonction cardiaque. En revanche, les souris atteintes de diabète aigu possédaient des fonctions cardiaques normales associées de taux normaux de FAO. Ensemble, ces études ont amélioré notre compréhension des mécanismes de lipotoxicité associée à la DCM et ils soulignent l’importance de l’ERS, de l’inflammation et de la dysfonction mitochondriale comme des facteurs clefs dans la promotion de la lipotoxicité dans la DCM.

Diabetes is growing at an alarming rate in North America. The biggest killer of patients with diabetes is heart disease. Indeed, diabetes is a major risk factor for both coronary artery disease and hypertension. However, patients with diabetes are also at risk for developing diabetic cardiomyopathy (DCM), which is characterized as heart disease in the absence of atherosclerosis and hypertension. The exact causes of this diabetic heart disease has not been completely elucidated but abnormal lipid metabolism has emerged as a key contributing factor. Interestingly, a common characteristic of DCM is the accumulation of intra cellular lipids otherwise known as cardiac steatosis. Cardiac steatosis is likely caused by a mismatch between lipid uptake and lipid clearance from the cells. As such, we focused on elucidating the mechanisms of lipotoxicity in the context of diabetic cardiomyopathy. To this end, we investigated the role of lipid metabolism on key pathways related to diabetic cardiomyopathy including Endoplasmic Reticulum (ER) stress, Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) activity, inflammation, and mitochondrial dysfunction with a specific focus on fatty acid oxidation. We characterized lipid induced ER stress and apoptosis in vitro, using primary neonatal cardiomyocytes. We were able to confirm that palmitate, a lipotoxic fatty acid, induces ER stress and cell death in primary cardiomyocytes. We also demonstrated that palmitate mediated lipotoxicity is associated with a significant degree of inflammation which may be due to down-regulation of PPAR receptors. Cardiac steatosis and lipotoxicity can alter metabolic signaling pathways leading to mitochondrial dysfunction. We discovered that palmitate toxicity is associated with an impairment of complete fatty acid oxidation (FAO). Specifically, palmitate impairs β-oxidation and citric acid cycle simultaneously with no effect on Cpt1b activity, the rate limiting step in FAO. Interestingly enhancing FAO attenuated the toxic effects of palmitate while inhibiting FAO caused oleate, which is normally non-toxic, to induce cell death. These results suggest that enhancing FAO might have some clinical utility as a therapeutic target for the treatment of diabetic cardiomyopathy. As such, we have investigated whether impaired fatty acid oxidation might contribute to DCM pathology in vivo. Previous studies have shown that FAO is actually increased in diabetic mice. However, diabetic mice also exhibit elevated fatty acid uptake which could significantly contribute to the elevated FAO rates in these hearts. Therefore, we aimed to assess FAO rates directly from isolated mitochondria instead of whole hearts to exclude the potentially confounding factor of enhanced fatty acid uptake. We found that older (chronic) diabetic mice exhibited impaired fatty acid oxidation rates and this was associated with ER stress and impaired cardiac function. In contrast, acutely diabetic mice had normal cardiac functions which was associated with normal FAO rates. Taken together, these studies have furthered our understanding of lipotoxic mechanisms in the context of diabetic cardiomyopathy and they accentuated the importance of ER stress, inflammation, and impaired mitochondrial function as key factors promoting lipotoxicity in diabetic cardiomyopathy.